离心压缩机小流量级扩压器的分析与优化.doc

离心压缩机小流量级扩压器的分析与优化
Analysis and Optimization of Centrifugal Compressor Diffuser with Small Flow Stage

冀春俊 肖 蕾/大连理工大学动力系

摘要:对一离心压缩机小流量级的扩压器内部的三维粘性流场进行了数值研究。在对整级流场模拟的基础上，对其无叶扩压器内部流场进行分析探讨，提出加入叶片扩压器的改造方案，并对扩压器叶片型线进行了分析讨论，使其级多变效率提高近5个百分点。
关键词：离心压缩机 小流量 流动模拟
中图分类号：TH452 文献标识码：B
文章编号：1006-8155（2005）02-0015-03
Abstract: Numerical research of the three dimensional viscosity flow in a centrifugal compressor with low mass flow coefficient is presented in this paper. Based on the numerical analysis of the flow inside the whole stage, especially the flow in the vaneless diffuser, vaned diffuser is proposed for the modification of the compressor. Blade profile is numerically analyzed and an 5% increase of the polytropic efficiency of the stage is achieved.
Key words: Centrifugal compressor Small flow rate stage Diffuser
1 引言
在离心式压缩机中，扩压器的功用主要是使从叶轮出来的具有较大动能的气流减速，以使动能有效地转化为压力能。无论径向直叶片还是后弯或强后弯叶轮，这部分动能都要占叶轮总耗功的很大比例。扩压器设计得理想与否对级效率和压比有很大影响，它在离心压缩机中是与叶轮同样重要的元件，因此，对扩压器的研究是一项十分有价值的工作。
本文研究的多级离心式压缩机小流量模型级的流量系数φ=0.01028，在设计工况下多变效率仅为68%，与现今国际同类水平压缩机的多变效率相比要低10个百分点。通过对此小流量模型级内部流场进行数值模拟，对模拟后的原结构内部流场进行分析研究，发现原结构各元件中扩压器内部流场的流动损失过大是造成其多变效率低的重要因素之一。据此，对原结构采用的无叶扩压器进行分析，针对其流动特点在其后端加一段叶片扩压器，并对扩压器叶片型线进行一系列的分析讨论，使改进后的扩压器性能有所提高，进而增加整级的多变效率。
2 原无叶扩压器几何结构特点
图1和图2为此小流量模型级整级的三维造型。从图中可以看到，原结构采用的是等宽无叶扩压器（b3=b4=const）；扩压器前面连接强后弯闭式叶轮，等厚度叶片，叶片尾缘为钝头，且b2＞b3；后面连接的弯道前后宽度不等，略有扩张。

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图1 图2
3 计算方法与边界条件
虽然研究的对象是离心式压缩机小流量模型级的扩压器，但为真实地反映扩压器内部流场的流动情况，采用了计算流体力学的手段对整级内的流动进行详细的计算分析。整级结构几何形状非常复杂，内部流动具有明显的三元流动和粘性流动、非定常流动特征，流动分析问题异常复杂。本计算分析的出发点为气流流动的控制方程，包括三维可压缩雷诺平均N-S方程、能量方程、连续方程、理想气体状态方程、以及Baldwing-Lomax代数湍流模型方程；采用有限体积法对控制方程进行空间离散，采用显式时间推进法求解，并使用有效的多块/多重网格技术提高整个求解的收敛速度。计算域包括进气道、叶轮、扩压器、弯道、回流器，并在回流器出口段进行了适当的延伸。网格采用多块六面体结构网格。
计算时流体工质选择为空气，进口边界给定速度方向、静温（Tin=293K）、质量流量（G=0.5378kg/s），出口边界给定静压（pout=137293.1Pa）。
4 计算结果分析
4.1 原无叶扩压器内部流动分析
利用上述计算平台进行离心压缩机小流量模型级的数值分析计算，得到了各元件（包括叶轮、扩压器、弯道及回流器）内部三维流场的完全信息。
原结构采用的是等宽无叶扩压器，无叶扩压器有结构简单，造价低，性能曲线平稳，稳定工况范围宽等优点。它的缺点在于，由于流体在无叶扩压器中α角基本不变，流动路程较长，摩擦损失较大，在设计工况下效率比叶片扩压器要低，当α角很小时这种不足更加明显。通过对叶轮流道内部流场进行分析，发现叶轮出口的α2比较小（约8.5°），扩压器中的流线偏长（见图3），流动损失比较大，这可能就是扩压器性能不高的重要原因之一。据此，尝试在无叶扩压器后端加一段叶片扩压器，使方向角α增大，流道长度缩短，以达到减少流动损失的目的。
4.2 叶片扩压器初始设计
在对叶片扩压器的设计中，遵循在结构长度D4一定的情况下，气流不发生分离和出口气流速度最小的原则。且扩压器叶片与叶轮出口之间有一段距离，这段距离起整流作用，以改善气流进入叶片扩压器内的流动情况。根据原结构扩压器子午面形状，采用等宽扩压器（b3=b4=const）。为使扩压器叶片流道接受到来自叶轮的均匀气流，扩压器的叶片数应该小于叶轮的叶片数；为了避免出现共振现象，扩压器与叶轮的叶片数不应成整倍数。考虑到原结构叶轮叶片数为13，选择了扩压器的叶片数为10。扩压器叶片中心线采用单圆弧，初始设计叶型型线采用C4原始翼型，此类机翼叶型流动损失小，变工况性能好。
文献［1］指出，叶片扩压器的当量扩张角θeq在4.8°附近时，损失系数最小。当量扩张角θeq可按文献［1］中所给的θeq计算公式算出，将若干组参数代入公式，找到一组能使当量扩张角θeq在4.8°附近的参数，认为此组参数选择比较合理，并据此进行叶片扩压器的三维造型。图4所示的是造型后的叶片扩压器的通流图。

图3 原结构扩压器内部速度场分布 图4 叶片扩压器通流图
改进后的扩压器使整级效率显著提高。表1为加叶片扩压器前后整级的性能参数比较。
表1

流量/（kg/s）
静压比
总压比
级等熵效率/%
级多变效率/%
改进前
0.5378
1.4756
1.4785
73.113
74.552
改进后
0.5378
1.5034
1.5056
77.031
78.316
注：由于在数值模拟过程中没有考虑级内的某些损失（包括轮阻损失、漏气损失等），模拟后得到的原结构级多变效率（74.552%）比实际的多变效率68%）高。
4.3 对扩压器叶型的分析讨论
图5为原始设计采用的C4翼型叶片扩压器的内部速度场分布图。从图中可以看出，气流在叶片扩压器内部的流动比较通畅，没有明显的漩涡和气流分离现象。但由于C4叶型叶片最大相对厚度的位置比较靠前，叶片后端比较薄，叶片压力面附面层逐渐增厚，这会产生比较大的流动损失，从而影响效率。据此，在其他参数不变的情况下，对扩压器叶片形线进行修改，使叶片最大相对厚度的位置后移，加厚叶片出口区域。本文分别采用倒C4翼型，倒T4翼型，以及直壁叶片进行数值模拟，模拟后得到的各叶型叶片扩压器内部速度场分布如图6～图8所示。

图5 C4翼型的叶片扩压器内部速度场分布

图6 倒C4翼型的叶片扩压器内部速度场分布

图7 倒T4翼型的叶片扩压器内部速度场分布

图8 直壁型叶片扩压器内部速度场分布

表2 各叶型叶片扩压器整级性能参数比较

流量/（kg/s）
静压比
总压比
级等熵效率/%
级多变效率/%
C4叶型
0.5378
1.5034
1.5056
77.031
78.316
倒C4叶型
0.5378
1.5017
1.5041
77.108
78.385
倒T4叶型
0.5378
1.5003
1.5026
76.960
78.243

直壁叶型
0.5378
1.5051
1.5072
77.758
79.006

图6和图7分别为倒C4和倒T4翼型叶片扩压器的内部速度场分布，与C4翼型相比，二者的叶片最大相对厚度的位置都比较靠后，叶片压力面附面层损失减小，但在出口端吸力面侧都出现了气流分离现象，会产生一定的分离损失。其原因在于出口端叶片厚度减小较快，对气流的导流作用减弱。图8为直壁型叶片扩压器的内部速度场分布，直壁型叶片由前缘到尾缘厚度逐渐增大，且呈线形变化，叶片出口处为厚度最大位置，直壁型叶片的附面层损失和气流分离损失都比较小，但由于尾缘为钝头，会产生一定的尾迹损失，由图中也可以看到在尾缘处产生漩涡。表2为分别采用各叶型的叶片扩压器数值模拟后整级性能参数的比较，采用直壁型叶片扩压器整级的效率最高。由此可知，虽然直壁型叶片存在一定的尾迹损失，但其通道为直线形，气流的速度和压力分布比较均匀，流动损失也比较小，所以性能比较高。且与机翼型叶片相比，直壁型叶片结构简单，工艺要求不复杂，具有一定的实际生产价值。
叶片扩压器由于其流道长度短，流动损失小，在设计工况下效率较高。但由于叶片的存在，其变工况性能一般来说与无叶扩压器相比要差。设计的叶片扩压器的变工况性能有待进一步研究，但对于常年在设计工况点附近工作的压缩机来说，此种设计是值得采纳的。
5 结论
对一小流量离心压缩机模型级在设计工况下进行了内部三维粘性流场的数值研究工作，针对其扩压器结构进行了分析讨论，结果表明：
(1)数值模拟的结果可以真实地反映离心压缩机小流量级内部的三维粘性流动特征，在流场分析的基础上，可以进行有针对性的结构改进，达到提高压缩机性能的目的。
(2)加入叶片扩压器是一种在设计工况下提高小流量离心压缩机级效率的有效方法。
(3)扩压器叶片型线对扩压器性能优劣有很大的影响，对研究的离心压缩机小流量级来说，直壁型叶片对于在设计工况下扩压器性能的改进效果最好，并将整级的效率提高近5%。
(4)叶片扩压器性能都是基于设计工况进行的，其变工况性能有待进一步研究。
参 考 文 献

[1]安交通大学透平压缩机教研室.离心式压缩机原理.机械工业出版社, 1978.
[2]朱方元.航空轴流叶片机气动设计.航空专业教材编审室, 1984.
[3]黄钟岳,王晓敏.透平式压缩机.化学工业出版社,2004.8
[4]庆桓, 喻达之, 汤育红.多级离心式压缩机小流量系数叶轮的内流特点和设计方法.化工机械, 1994.